新一代調(diào)相機變壓器組啟機過流保護誤動作原因及對策

鄭玉平，潘書燕，柴濟民，鄭作偉，吳崇昊，龍 鋒

（1. 南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），江蘇省南京市 211106；2. 智能電網(wǎng)保護和運行控制國家重點實驗室，江蘇省南京市 211106；3. 常州工學院電氣信息工程學院，江蘇省常州市 213032）

0 引言

為了緩解交、直流故障引起的電壓問題以及直流換相失敗等問題，國家電網(wǎng)有限公司自2015 年起研究部署調(diào)相機在電網(wǎng)中的應(yīng)用，利用調(diào)相機具有大容量雙向無功調(diào)節(jié)的能力和動態(tài)無功輸出的特點，提高特高壓直流電網(wǎng)的支撐能力，推動特高壓電網(wǎng)發(fā)展和安全穩(wěn)定水平［1-4］。新一代調(diào)相機在結(jié)構(gòu)設(shè)計、啟動方式、勵磁控制方式和運行模式等各方面均與常規(guī)的發(fā)電機組、抽水蓄能機組等不同［5］，國家電網(wǎng)優(yōu)有限公司組織專家、學者開展了相關(guān)的技術(shù)研究，發(fā)布了系列規(guī)范［6-7］。2017 年12 月隨著±800 kV 扎魯特換流站首套新一代調(diào)相機組工程的成功投運，±800 kV 祁連換流站、±1 100 kV天山換流站、±800 kV 金華換流站等調(diào)相機組工程也相繼投入運行，整體運行情況良好，但在具體應(yīng)用過程中，啟機過程出現(xiàn)過保護動作現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為調(diào)相機升壓惰轉(zhuǎn)過程中機端出現(xiàn)幅值較大的波形畸變電流。

已有新一代大型調(diào)相機保護相關(guān)文獻［8-12］針對上述現(xiàn)象及問題鮮有論述。文獻［8］分析了調(diào)相機在靜止變頻器（SFC）拖動時的諧波特性，闡述了變頻啟動過程中的變頻特性及諧波特性對啟機保護的影響，提出了一種改進型的定頻采樣變數(shù)據(jù)窗離散傅里葉變換算法，在變頻啟動時啟機過流保護能夠更準確地算出故障電流的基波幅值。文獻［9］提及調(diào)相機啟動過程對繼電保護的影響，從總體方案上提出需配置一些特殊功能應(yīng)對低頻工況，如調(diào)相機的低頻過流保護等，相關(guān)的保護算法應(yīng)與信號的頻率無關(guān)，但對SFC 退出運行后調(diào)相機升壓惰轉(zhuǎn)過程中的電流波形畸變產(chǎn)生原因沒有論述。文獻［10］主要對大型調(diào)相機內(nèi)部繞組匝間短路故障進行了分析并提出了相應(yīng)的解決方案，未給出調(diào)相機啟動過程中保護的策略、算法等。文獻［11］分析了調(diào)相機在SFC 投入運行啟動階段，機端電壓、電流等電氣量可能出現(xiàn)較大的諧波，啟機狀態(tài)下測頻算法的精度以及響應(yīng)速度需要考慮諧波的影響，未述及SFC 退出運行后調(diào)相機升壓惰轉(zhuǎn)過程中的電流波形畸變產(chǎn)生原因及對策。

本文首先介紹了新一代大型調(diào)相機組啟動與運行特點，然后重點分析了調(diào)相機升壓惰轉(zhuǎn)過程電流畸變產(chǎn)生的機理，以及啟機過流保護動作的原因，在此基礎(chǔ)上，提出了保護應(yīng)對策略并驗證了策略的有效性。

1 新一代大型調(diào)相機組啟動特點及啟機保護配置方案

1.1 新一代大型調(diào)相機組啟動特點

新一代大型調(diào)相機通過升壓主變壓器并入電網(wǎng)，其系統(tǒng)配置如圖1 所示。

圖1 新一代調(diào)相機變壓器組系統(tǒng)配置圖Fig.1 System configuration diagram of new-generation condenser and transformer unit process

調(diào)相機機端與主變壓器低壓側(cè)之間無斷路器連接。調(diào)相機沒有原動機，由SFC 系統(tǒng)驅(qū)動以電動機工況啟動，由靜止狀態(tài)拖動至約1.05 倍額定轉(zhuǎn)速后惰轉(zhuǎn)并網(wǎng)，啟機過程存在SFC 投入后機組緩慢勻速升壓和升頻階段、SFC 退出后機組快速升壓及惰轉(zhuǎn)檢同期并網(wǎng)階段［13-14］。

1）啟機SFC 投入，機組升頻升壓階段

本階段為SFC 投入階段，主勵磁不帶電，啟動勵磁通過廠用電給機組勵磁，拖動調(diào)相機使其機端電壓從0 V 升至機端額定電壓UN的10%（UN=20 kV），頻率由5 Hz 升頻到52.5 Hz。為避免調(diào)相機過激磁，本階段機端電壓調(diào)節(jié)的同時，頻率也同步進行調(diào)節(jié)，且按照U*/f*≤0.36 進行調(diào)節(jié)，U*和f*分別為機端電壓和頻率的標幺值。

2）啟機SFC 退出，機組升壓惰轉(zhuǎn)階段

惰轉(zhuǎn)階段為SFC 退出之后到機組同期并網(wǎng)的過程。SFC 系統(tǒng)退出后，啟動勵磁快速切換至主勵磁，勵磁切換完成后，升壓過程中調(diào)相機由于沒有SFC 拖動，轉(zhuǎn)動速度會慢慢下降，在這個過程中同期裝置會進行同期并網(wǎng)點捕捉，當滿足并網(wǎng)條件時，同期裝置控制并網(wǎng)開關(guān)合閘，調(diào)相機并網(wǎng)成功。在此過程中，調(diào)相機機端電壓在5 s 內(nèi)從2 kV 升至20 kV，頻率在25 s 內(nèi)由52.5 Hz 降至50 Hz。

1.2 新一代大型調(diào)相機組啟機保護配置方案

調(diào)相機組啟機保護配置了啟機差動保護、啟機低頻過流保護和啟機零序過電壓保護，作為尚未并網(wǎng)前的調(diào)相機、主變壓器、勵磁變壓器相間故障及定子接地故障的保護。

由于調(diào)相機啟動或停機過程中，定子電壓頻率是變化的，因此啟機保護均采用了不受頻率影響的算法，其中調(diào)相機啟機差動保護取調(diào)相機機端側(cè)、中性點側(cè)的電流互感器形成差動保護。啟機低頻過流保護電氣量取自調(diào)相機中性點側(cè)三相電流。啟機零序過電壓保護電氣量取自機端開口三角零序電壓。調(diào)相機變壓器組并網(wǎng)后啟機保護自動退出，即調(diào)相機啟機差動保護、啟機低頻過流保護和啟機零壓保護均自動退出。

啟機低頻過流保護的整定原則為［6］：定值Iop應(yīng)可靠躲過啟機過程的最大SFC 注入電流，Iop=KrelILoad，其中ILoad為低頻工況下的額定SFC 注入電流，Krel為可靠系數(shù)，取1.3～1.5。工程應(yīng)用中SFC的最大注入電流一次值為1 650 A，機端和中性點電流互感器變比為12 500∶5。因此，最大注入電流二次值為0.66 A，可靠系數(shù)取為1.3，Iop整定為0.85 A。

2 調(diào)相機惰轉(zhuǎn)過程電流畸變分析

2.1 工程現(xiàn)場惰轉(zhuǎn)過程保護動作情況說明

對于圖1 所示調(diào)相機工程現(xiàn)場配置，當調(diào)相機完成第1 階段的SFC 投入升頻升壓過程后，SFC 會退出運行，斷開與調(diào)相機機端的刀閘連接，自并勵勵磁系統(tǒng)投入運行，調(diào)相機處于第2 階段的SFC 退出，機組升壓惰轉(zhuǎn)過程，此時調(diào)相機為帶空載變壓器運行模式，但在調(diào)相機機端（即主變壓器低壓側(cè)）和中性點側(cè)出現(xiàn)了較大的畸變電流，超過了調(diào)相機變壓器組保護中的啟機低頻過流保護定值，保護動作，調(diào)相機并網(wǎng)失敗，此時輸出的波形如圖2 所示。圖中8.25 s 后為放大波形曲線。

由圖2 可知，在調(diào)相機機端電壓上升的過程中，調(diào)相機機端電流幅值逐漸增大（在無內(nèi)部故障時機端和中性點側(cè)為穿越性電流，幅值和波形形狀一致，圖中顯示為機端電流），通過全波傅氏算法得到的幅值大于1 A，超過了定值0.85 A，滿足啟機過流保護動作條件，保護動作跳閘。在此過程中，機端電流波形嚴重畸變且呈現(xiàn)涌流波形特征，為何會出現(xiàn)較大的畸變電流波形需要進一步分析。

圖2 啟機過程中的調(diào)相機機端電氣量Fig.2 Electric quantities at condenser terminal during start-up process

2.2 調(diào)相機升壓惰轉(zhuǎn)過程電流畸變原因分析

當調(diào)相機轉(zhuǎn)速達到3 150 r/min，進入惰轉(zhuǎn)過程后，調(diào)相機機端僅與勵磁變壓器和升壓主變壓器有電氣連接，勵磁升壓過程中，增加轉(zhuǎn)子勵磁，機端電壓快速由2 kV 提升到20 kV，勵磁變壓器容量較小（約為1.2%主變壓器容量），相比升壓主變壓器容量可以忽略不計。由1.1 節(jié)可知，調(diào)相機機端電壓在5 s 內(nèi)從2 kV 升至20 kV，頻率在25 s 內(nèi)由52.5 Hz降至50 Hz，根據(jù)調(diào)相機制造廠提供的數(shù)據(jù)和工程實際運行情況，在5 s 內(nèi)調(diào)相機頻率由52.5 Hz 降至52 Hz，0.5 Hz 的頻率變化相對較小，為分析方便，忽略頻率變化影響。所以在升壓惰轉(zhuǎn)過程時可看成主變壓器空載運行，主變壓器低壓側(cè)電壓（即調(diào)相機機端電壓）的幅值不斷變大，頻率可以近似認為不變?？紤]到新一代調(diào)相機變壓器組中的變壓器為20 kV/500 kV 或者20 kV/750 kV 三相五柱式變壓器，由于旁柱提供了零序磁鏈的磁路，因此對于每相的磁路分析也可基于單相變壓器模型，本文后續(xù)分析和公式推導取其中一相進行分析，其他兩相相同。

為方便分析，忽略升壓變壓器漏電抗的影響，以下分析主要是考慮電壓實時變化過程中變壓器鐵芯磁鏈變化情況，忽略磁鏈非周期分量衰減的影響。

變壓器低壓側(cè)快速升壓從整個過程看其幅值是線性變化、逐漸增大的，本文將整個過程拆分成很多次電壓升壓變化階段，每一階段都可看成從一種電壓狀態(tài)變化到另一種電壓狀態(tài)，對每一切分時刻變壓器磁鏈值進行推導［15］。

式中：Um為主變壓器低壓側(cè)額定電壓；k1為變壓器端電壓變化前的電壓系數(shù)；φ為合閘角；ω為角頻率。

式中：C2為積分常數(shù)。

3）電壓變化前后磁鏈不能突變，即ψ1(0) =ψ2(0)，可得C2=ψm(k2cos(φ+θ)?k1cosφ)+ψr，從而得到對應(yīng)時刻電壓變化后的磁鏈為［14］：

從保護裝置軟件實現(xiàn)的角度，對式（6）和式（7）進行如下處理：一是標幺化處理，二是電壓量實時采集，三是軟件實時積分數(shù)據(jù)窗的選取。從而可以近似間接計算出磁鏈值（標幺值），如式（8）所示。

式中：ψ*2(t)為磁鏈實時計算標幺值；u*(t)為電壓實時標幺值；ψ*r為剩磁標幺值。

相對于式（7），式（8）改變了非周期分量表達式上限，主要考慮在其他情況（如和應(yīng)涌流）下，非周期分量有一緩慢變化過程，需要連續(xù)積分，對于非和應(yīng)涌流工況，基本上半個工頻周期后電壓為穩(wěn)定的周期分量，后期積分結(jié)果為0，所以積分上限的改變影響不大。

根據(jù)現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)和式（8）設(shè)置不同剩磁情況進行磁鏈值估算，發(fā)現(xiàn)當剩磁在0.7 p.u.時，磁鏈值超過鐵芯飽和閾值，機端電流出現(xiàn)勵磁涌流，且隨著磁鏈的逐漸增大，機端電流增大，與現(xiàn)場出現(xiàn)勵磁涌流的時間相近，如圖3 所示。圖中，第1 個波形為機端BC 相間電壓標幺值，是仿真實測值；第2 個波形是由第1 個波形根據(jù)式（8）中電壓變化量表達式計算得到的相間電壓變化量；第3 個波形為仿真實測機端B 相電流值；第4 個波形是由第1 個波形根據(jù)式（8）計算得到的磁鏈值；紅線表示變壓器飽和磁鏈值，下文同。

圖3 啟機過程中的調(diào)相機機端B 相電氣量Fig.3 Electric quantities of phase B at condenser terminal during start-up process

2.3 仿真驗證調(diào)相機升壓惰轉(zhuǎn)過程電流畸變現(xiàn)象

為了進一步驗證上述分析的準確性，按照新一代調(diào)相機工程相關(guān)參數(shù)建立了基于PSCAD/EMTDC 的大型調(diào)相機組啟機保護仿真試驗系統(tǒng)，含勵磁控制系統(tǒng)模型。仿真系統(tǒng)中調(diào)相機的升壓惰轉(zhuǎn)原理和過程見1.1 節(jié)分析：SFC 退出運行，主勵磁投入運行，調(diào)相機機端電壓從10%額定電壓在5 s內(nèi)升至額定電壓，調(diào)相機5 s 內(nèi)頻率從52.5 Hz 下降至52 Hz 附近，25 s 內(nèi)降至50 Hz 附近。仿真系統(tǒng)中三相一體530 kV/20 kV 的電力變壓器，容量為360 MV·A，繞組方式為Ynd11，鐵芯為五柱式，短路阻抗為8.25%，空載電流為0.10%，空載損耗為212.6 kW，負載損耗為401.2 kW。變壓器鐵芯磁化曲線用Jiles-Atherton hysteresis 磁滯模型［16］，鐵芯柱的膝點電壓為1.17 p.u.，變壓器運行在接近飽和狀態(tài)，與目前大型變壓器運行情況基本一致。仿真變壓器500 kV 側(cè)空載，20 kV 側(cè)在5 s 內(nèi)由10%額定電壓升至100%額定電壓，等效電路圖如附錄A 圖A1 所示。從圖A1 可以看到，由于星形側(cè)三相電流均為0，在各相磁路獨立時，三角形側(cè)各繞組電流即為對應(yīng)相的勵磁電流。那么三角形側(cè)線電流即為兩相勵磁電流之差，以A 相線電流I?a為例，有

式中：I?ma和I?mb分別為A 相和B 相的勵磁電流。

仿真中為便于分析，分別設(shè)置A 相的剩磁為0.5、0 和?0.5 p.u.（B 相和C 相不設(shè)置剩磁）。同時為了驗證計算磁鏈的準確性，在PSACD 中增加了仿真軟件自帶的磁鏈測量模塊，如附錄A 圖A2 所示。仿真結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 仿真結(jié)果可知，利用式（6）理論計算的磁鏈波形與PSCAD 自帶的仿真輸出磁鏈波形基本一致，表明了理論計算分析的準確性。

在帶有剩磁情況下，仿真磁鏈會超過飽和磁鏈，圖4（a）和（c）分別為產(chǎn)生了偏于正向和反向的勵磁涌流波形。而在如圖4（b）所示沒有剩磁的情況，由于升壓過程中電壓幅值低于額定電壓，并沒有產(chǎn)生飽和。

綜合理論分析與仿真結(jié)果可見，剩磁和電壓幅值的不斷升高可能導致鐵芯飽和，從而產(chǎn)生較大的勵磁涌流使得保護動作。

3 改進措施

如何在調(diào)相機組升壓惰轉(zhuǎn)過程中，啟機低頻過流保護性能不受變壓器鐵芯飽和影響，從上述分析可以知道，盡可能地消除剩磁，可降低變壓器發(fā)生鐵芯飽和的概率，或者減小變壓器鐵芯飽和程度、降低勵磁涌流幅值，如從圖4（b）中可以看到，當無剩磁時，變壓器鐵芯基本上不會發(fā)生飽和。

圖4 啟機過程調(diào)相機機端A 相仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of phase A at condenser terminal during start-up process

3.1 消磁處理

由于變壓器鐵芯硅鋼材料的磁滯特性［16］，變壓器在出廠前直流電阻測量、斷路器分閘等操作時會產(chǎn)生剩磁，其根本原因是變壓器端部激勵源突然與變壓器斷開，雖然磁場強度為0，但因鐵磁性材料不會恢復(fù)到磁中性而是保持有一定的磁性，其磁感應(yīng)強度并不一定為0，從而產(chǎn)生剩磁。新一代調(diào)相機變壓器組的工程運行有其特殊性，調(diào)相機組的機端電壓與勵磁電流成正比，將轉(zhuǎn)子繞組視為一個大電感，當調(diào)相機并網(wǎng)失敗、故障下斷路器分閘、變壓器退出運行等工況，滅磁時勵磁電流不能突變，按照一定的時間常數(shù)衰減至0，使得調(diào)相機機端電壓會緩降至0 而非驟降為0，升壓變壓器鐵芯不容易出現(xiàn)剩磁，對于容易出現(xiàn)剩磁的場景如投運前升壓變壓器直流電阻試驗后進行消磁處理，可避免因剩磁較高導致鐵芯飽和出現(xiàn)較大勵磁涌流而引起保護誤動問題。

3.2 啟機過流保護方案改進

通過前述分析，也可從軟件算法上對勵磁涌流與故障電流進行甄別，避免勵磁涌流對過流保護的影響［17-18］。啟機過流保護作為調(diào)相機尚未并網(wǎng)前的相間故障的后備保護，擔負保調(diào)相機組設(shè)備安全運行重任，其靈敏性和可靠性尤為重要。

由前文分析可知，涌流的出現(xiàn)僅在SFC 退出運行機組升壓階段，由于變壓器低壓側(cè)為不接地系統(tǒng)，啟機過流主要應(yīng)對相間、三相短路故障，故障電流較大，所以可在SFC 退出階段增加簡單的二次諧波含量按相閉鎖判據(jù)，以此消除勵磁涌流的影響。

對圖2 中的機端電流進行二次諧波含量計算，結(jié)果如圖5 所示，三相電流的二次諧波含量均高于15%，保護可靠閉鎖。同時，仿真變壓器角側(cè)區(qū)內(nèi)的AB 相間故障，在1.6 s 時發(fā)生AB 相間故障，電流波形如附錄A 圖A3 所示，A、B 兩相的電流幅值很大，且基本上無諧波，啟機過流保護可以不受二次諧波閉鎖，判別為區(qū)內(nèi)故障可靠動作。

圖5 啟機過程調(diào)相機機端電流及其二次諧波含量Fig.5 Current at condenser terminal and its second harmonic content during start-up process

4 結(jié)語

針對新一代調(diào)相機啟機升壓惰轉(zhuǎn)過程中機端電流出現(xiàn)畸變的情況，綜合變壓器實時磁鏈理論計算與仿真結(jié)果可看到，變壓器剩磁和機端電壓幅值的不斷升高可能導致鐵芯飽和，出現(xiàn)幅值較大且波形畸變的勵磁涌流，從而使得啟機過流保護動作。

將調(diào)相機轉(zhuǎn)子繞組視為一個大電感，當調(diào)相機并網(wǎng)失敗、故障下退出運行等工況滅磁時，調(diào)相機勵磁電流不能突變，機端電壓會緩降至0，變壓器出現(xiàn)剩磁的概率較小。因此，調(diào)相機變壓器組投運前直流電阻試驗后需要進行消磁處理，可降低變壓器發(fā)生鐵芯飽和的概率，或者減小變壓器鐵芯飽和程度而降低勵磁涌流幅值。在剩磁過高、鐵芯飽和涌流幅值較大時，從保護調(diào)相機組自身安全、寧誤動不拒動的角度出發(fā)，可采用傳統(tǒng)的二次諧波按相閉鎖啟機過流保護方法，以應(yīng)對變壓器發(fā)生鐵芯飽和工況。

本文在鐵芯實時磁鏈公式的推導過程中忽略了變壓器繞組漏電抗的影響。隨著高比例新能源、高比例電力電子設(shè)備廣泛接入電網(wǎng)，系統(tǒng)的故障特征發(fā)生深刻改變，基于變壓器模型區(qū)分勵磁涌流和內(nèi)部故障的方法是對不受電源特性影響的繼電保護新技術(shù)的一種探索，將會進一步深入研究。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx），掃英文摘要后二維碼可以閱讀網(wǎng)絡(luò)全文。